恐龍是被“嗆死”的還是被餓死的？真相是……

2023年《Nature Geoscience》上，一篇文章報(bào)道了關(guān)于布魯塞爾比利時(shí)皇家天文臺(tái)Senel C B團(tuán)隊(duì)的研究成果。他們?cè)诒笨七_(dá)他州采集到了6600萬年前的一個(gè)巖石標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)標(biāo)本中含有直徑0.8~8.0微米的硅酸鹽粉塵顆粒。Senel團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，小行星撞擊地球時(shí)，拋出了許多這樣微小的灰塵，這些塵埃粒子阻擋了陽光，使得有超過兩年的時(shí)間沒有陽光的照射。此外，塵埃在大氣中停留了大約15年的時(shí)間，導(dǎo)致全球氣溫下降15℃左右。

非鳥類恐龍很可能就是在這種饑寒交迫、灰塵遮天蔽日的環(huán)境中逐漸死亡的。

關(guān)于恐龍大滅絕的原因，科學(xué)家從不同的角度提出了各種假說。主流假說認(rèn)為，一顆直徑約10千米的小行星撞擊在墨西哥灣上，撞擊產(chǎn)生系列后續(xù)的連鎖反應(yīng)，造成了地球的生態(tài)災(zāi)難。

6600萬年前生物滅絕事件假說

6600萬年前的白堊紀(jì)-古近紀(jì)生物滅絕事件原因在學(xué)界尚未有定論，主要觀點(diǎn)包括：氣候變遷說、物種斗爭說、大陸漂移說、地磁變化說、被子植物中毒說、酸雨說、疾病論、火山爆發(fā)說和小行星撞擊說等。同時(shí)有少數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，這次滅絕事件是緩慢發(fā)生的，而滅絕的原因是逐漸改變的海平面與氣候。

此外，也有部分科學(xué)家提出多重原因理論，例如：小行星或彗星的撞擊事件，或是長時(shí)間的火山爆發(fā)。?？颂K魯伯隕石坑，被認(rèn)為是6600萬年前的小行星撞擊留下的。撞擊事件或者印度德干玄武巖的火山爆發(fā)，導(dǎo)致大量灰塵進(jìn)入大氣層中，遮蔽了陽光、降低了植物的光合作用，進(jìn)而對(duì)全球各地的生態(tài)系統(tǒng)造成影響。

支持多重原因理論的科學(xué)家們認(rèn)為單一原因難以達(dá)成大規(guī)模的滅絕事件，也難以解釋滅絕的模式。2004年，Archibald J D與Fastovsky D E提出一個(gè)結(jié)合多重原因的滅絕理論，其中包括：火山爆發(fā)、海退、以及撞擊事件。

恐龍是當(dāng)時(shí)的大型脊椎動(dòng)物，首先受到環(huán)境改變的沖擊，導(dǎo)致生物的多樣性開始衰退?；鹕奖l(fā)噴出的懸浮粒子，使得全球氣候逐漸冷卻、干旱。最后，撞擊事件導(dǎo)致依賴光合作用的食物鏈崩潰，并沖擊已經(jīng)衰退的陸地食物鏈與海洋食物鏈。在眾多白堊紀(jì)-古近紀(jì)滅絕事件原因推論中，德干玄武巖噴發(fā)和小行星撞擊說是兩大主流觀點(diǎn)。

（1）德干玄武巖噴發(fā)

德干玄武巖是位于印度南部德干高原的巨型火成巖省，是地球表面最大的火山巖省之一。德干玄武巖是由多層洪流玄武巖組成，主要組成成分為拉斑玄武巖，還包含少量堿性玄武巖、煌斑巖、碳酸巖等，其厚度可超過2000米，同時(shí)可以直接觀測(cè)的面積約51.2萬平方公里。

印度德干高原

20世紀(jì)末，有學(xué)者主張德干玄武巖是白堊紀(jì)-古近紀(jì)滅絕事件的主要原因。根據(jù)拉斑玄武巖40Ar-39Ar同位素年齡分析，德干玄武巖噴發(fā)時(shí)間跨度為66.6—68.5Ma。德干玄武巖火山爆發(fā)通過數(shù)種方式造成了滅絕事件：灰塵與二氧化硫大量噴出，灰塵使地表的光照量下降，植物的光合作用減少；當(dāng)灰塵慢慢降落至地表時(shí)，火山爆發(fā)噴出的灰塵和二氧化硫氣體，許多植物因此而死亡，植食性恐龍因沒有食物而滅亡，而肉食性恐龍也相繼滅絕。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所副研究員李莎帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)與中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教授萬曉樵團(tuán)隊(duì)展開合作，對(duì)白堊紀(jì)/古近紀(jì)界線附近的海相和陸相地層中的汞記錄進(jìn)行了綜合對(duì)比。由于汞同位素可以為追蹤汞源提供有效信息。研究人員整合了分布于全球各地26個(gè)關(guān)鍵剖面和鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)德干玄武巖噴發(fā)導(dǎo)致白堊紀(jì)/古近紀(jì)界線之前或界線處的汞值呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，與顯生宙其他大滅絕事件界線處的汞數(shù)據(jù)具有相似的趨勢(shì)。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全球分布的剖面/鉆孔的汞記錄與徳干火山活動(dòng)的前兩幕相對(duì)應(yīng)：第一幕德干玄武巖噴發(fā)事件，時(shí)間約為66.30~66.15 Ma；第二幕德干玄武巖噴發(fā)事件，時(shí)間約為66.1~66.0 Ma。其中，白堊紀(jì)末期變暖事件（LMWE）與第一幕德干玄武巖噴發(fā)事件相關(guān)，變暖事件對(duì)氣候變化和生物危機(jī)具有全球影響。然而，德干火山活動(dòng)第三幕（約65.9~65.8 Ma）和第四幕（約65.6~65.5 Ma）的汞記錄尚未發(fā)現(xiàn)。

徳干玄武巖噴發(fā)事件在全球26個(gè)海相、陸相地層中記錄的汞值（1417個(gè)汞數(shù)據(jù)）呈正態(tài)分布、汞值和部分剖面汞同位素值的范圍

徳干玄武巖噴發(fā)事件在全球海相、陸相地層中的汞記錄對(duì)比

（2）小行星碎片撞擊說

銥（Ir）屬于親鐵元素，在地殼中的含量極少，大部分親鐵元素在行星分化的過程中沉降到地核中。美國科學(xué)家Alvarez L W父子等人于1980年發(fā)現(xiàn)全球白堊紀(jì)與古近紀(jì)交接地層中的銥含量高于正常標(biāo)準(zhǔn)，意大利、丹麥和新西蘭深?；?guī)r中銥含量分別是正常標(biāo)準(zhǔn)的30倍、160倍和130倍。同時(shí)，因?yàn)樵诖蟛糠中⌒行桥c彗星中常發(fā)現(xiàn)銥元素，所以Alvarez等人認(rèn)為在白堊紀(jì)與古近紀(jì)的交界時(shí)期，曾有顆小行星撞擊地球表面，挖掘巨量巖石碎塊進(jìn)入大氣層，其中一小部分塵埃在平流層停留數(shù)年并分布至世界各地。

白堊紀(jì)-古近紀(jì)滅絕事件是迄今為止中生代和新生代中最大的滅絕事件，與6600萬前形成的?？颂K魯伯隕石撞擊坑有著密切的關(guān)系。?？颂K魯伯隕石坑（Chicxulub Crater）是位于墨西哥尤卡坦半島的一個(gè)隕石坑撞擊遺跡。尤卡坦半島東靠加勒比海，西臨墨西哥灣、坎佩切灣，東北隔尤卡坦海峽與古巴相望，是古瑪雅文化的搖籃之一。?？颂K魯伯撞擊，被廣泛認(rèn)為是白堊紀(jì)-古近紀(jì)大滅絕的主要驅(qū)動(dòng)因素之一，被認(rèn)為對(duì)地球上的生命造成了多次長期的、全球性的影響。

墨西哥灣?？颂K魯伯隕石坑所在位置

2007年9月，美國西南研究院研究人員Bottke W等人利用計(jì)算機(jī)模擬得出，?？颂K魯伯隕石坑有極大可能（＞90%）是由一個(gè)名為巴普提斯蒂娜（Baptistina）的小行星所造成的，該小行星成分與CM2型碳質(zhì)球粒隕石成分接近，直徑約為170公里，運(yùn)行于主小行星帶內(nèi)部。根據(jù)推論，在160±30 Ma以前，巴普提斯蒂娜小行星被撞擊后粉碎，主要的碎片形成巴普提斯蒂娜族小行星族（Baptistina asteroid family，BAF），而某些碎片則闖入地球軌道，其中一顆直徑約10~15千米的碎片，在6600萬年前以45°~60°撞擊在了墨西哥尤卡坦半島[11]，形成了著名的?？颂K魯伯隕石坑。另外，月球表面的第谷環(huán)形山直徑約為85公里，形成于109±4 Ma前，也可能是（~70%）巴普提斯蒂娜族小行星帶的撞擊結(jié)果。

巴普提斯蒂娜小行星被撞擊破碎藝術(shù)圖

月球第谷環(huán)形山

2021年，英國曼徹斯特大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系研究人員通過對(duì)美國北達(dá)科他州白堊紀(jì)-古近紀(jì)邊界的魚類化石進(jìn)行組織學(xué)與同位素分析，包括δ18O和δ16O的形態(tài)學(xué)周期和環(huán)帶分布，加之魚類個(gè)體發(fā)育和季節(jié)性昆蟲行為的確證數(shù)據(jù)，共同表明?？颂K魯伯隕石坑的撞擊發(fā)生在北半球春季到夏季之間，即魚類和大部分陸生群類產(chǎn)卵季節(jié)后不久。

估算未滿一歲Tanis區(qū)域魚類死亡時(shí)間表

A—C為現(xiàn)代魚類分類群（匙吻鱘科、鱘科、弓鰭魚科）相對(duì)于產(chǎn)卵后體型統(tǒng)計(jì)范圍。早期產(chǎn)卵（ES）和晚期產(chǎn)卵（LS）之間的生長數(shù)據(jù)提供了給定體型（陰影區(qū)域）可能的季節(jié)性重點(diǎn)的完整范圍。標(biāo)本分布在早春中期和夏末之間，因此確定的死亡時(shí)間為春末至仲夏。

2023年9月，比利時(shí)布魯塞爾皇家天文臺(tái)研究人員Senel等人通過對(duì)美國北達(dá)科他州白堊紀(jì)-古近紀(jì)地層展開研究，提出并建立了基于沉積學(xué)約束的古氣候模型，用其來估計(jì)由于希克蘇魯伯隕石撞擊產(chǎn)生的細(xì)粒硅酸鹽塵埃和硫以及野火產(chǎn)生的煙塵對(duì)撞擊后氣候的綜合性影響。研究表明，0.8~8.0 μm硅酸鹽粉塵對(duì)氣候的影響比之前估計(jì)的還要大。通過對(duì)大氣模擬表明，這些硅酸鹽粉塵對(duì)大氣的影響長達(dá)15年之久，導(dǎo)致全球平均地表溫度下降達(dá)15℃，光合作用在撞擊發(fā)生兩年后才逐步恢復(fù)。

希克蘇魯伯撞擊物羽流的概念模型，顯示了粗粒和細(xì)粒撞擊產(chǎn)生噴出物的不同產(chǎn)生、運(yùn)輸和沉積階段

a—挖掘階段，來自東北方向10~15千米的隕石以45°墜向地表。尤卡坦巖石被移位，形成一個(gè)邊緣凸起的瞬態(tài)空腔，并在撞擊羽流中噴射出來。玻璃狀的撞擊熔融球體和花崗巖基底中受沖擊的礦物迅速濺射離開隕石坑。b—在美國北達(dá)科他州?？颂K魯伯以北約3000公里的陸地上的Tanis 站點(diǎn)，撞擊引起的沖擊波引發(fā)了河流沉積物頂部的地震沉降事件。隨后受到?jīng)_擊的礦物碎屑?jí)嬄洌练e事件發(fā)生在撞擊事件兩小時(shí)內(nèi)。c—撞擊地點(diǎn)，在挖掘階段結(jié)束后的幾分鐘內(nèi)，空洞邊緣坍塌，而中心區(qū)域的巖石首先隆起，然后向下和向外沉降，形成一個(gè)峰環(huán)。與此同時(shí)，帶有細(xì)顆粒噴射物（含硫氣體中的硅酸鹽塵埃、煙灰和硫酸鹽顆粒）的沖擊羽流生長、膨脹并上升到平流層，從而將物質(zhì)分布在全球各地。d—Tanis，撞擊后的幾年里大氣沉降被富鎳尖晶石球粒、野火產(chǎn)生的煙灰顆粒和大部分硅酸鹽塵埃所取代。圖d右下角顯示了一個(gè)由砂質(zhì)砂巖層組成的地層示意圖，其中有玻璃狀的小球體，其次是含有沖擊礦物的粘土巖、富鎳尖晶石和富銥的粉塵，上面覆蓋著褐煤。

?？颂K魯伯撞擊產(chǎn)生的全球氣候響應(yīng)的時(shí)間演變

時(shí)間演化顯示了從撞擊事件前2年到撞擊后的25年，分別為硅酸鹽塵埃、硫、煙灰和綜合情景。a—全球地表平均溫度；b—全球柱狀集成細(xì)粒噴射物質(zhì)量；c—全球地表向下長波輻射平均通量；d—全球PAR平均通量。在X軸上，0年表示撞擊事件發(fā)生年份的開始。紫色實(shí)線表示?？颂K魯伯撞擊發(fā)生時(shí)刻，即北半球春季。

撞擊事件發(fā)生后，全球季節(jié)性溫度變化在15℃~19℃之間。希克蘇魯伯撞擊導(dǎo)致的冬季，破壞了溫室氣候、導(dǎo)致了海洋尤其是陸地區(qū)域的溫度驟降。由于大小和時(shí)間尺度的不同，每一種細(xì)粒度的噴射類型都使得撞擊初期全球冷卻時(shí)間的延長。其中由硫塵埃造成的地表溫度影響最低，全球平均降溫為3℃，其次是硅酸鹽塵埃情景，全球平均降溫為7℃。模擬結(jié)果表明，硫分子和硅酸鹽塵對(duì)地表熱強(qiáng)迫都有顯著的影響，導(dǎo)致撞擊冬季延長至20年，其中，前5 ~ 8年最為嚴(yán)重。

撞擊濺射出的巨量硅酸鹽粉塵導(dǎo)致了全球變得黑暗，光合作用遭到長期受損，影響時(shí)間近1.7年（620天）。如此長時(shí)間的災(zāi)難對(duì)陸地和海洋生境構(gòu)成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。那些不能再適應(yīng)黑暗、寒冷和食物匱乏的條件，并且已經(jīng)苦苦生存近兩年的生物群體，將經(jīng)歷一次大規(guī)模的滅絕。

古生物學(xué)記錄表明，部分動(dòng)物和植物可以進(jìn)入休眠階段（例如，通過種子、囊腫或在洞穴中冬眠），并且，它們不依賴特定的食物來源，通常情況下更能在大撞擊事件中幸存下來。

此外，研究表明，光合作用恢復(fù)到撞擊前的水平首先發(fā)生在地球南部的夏季，大約在撞擊后約1.7年。這意味著南半球初級(jí)生產(chǎn)力恢復(fù)的較早，這與古生物學(xué)證據(jù)表明南半球的滅絕水平較低相一致，從而導(dǎo)致滅絕和從白堊紀(jì)末期災(zāi)難中恢復(fù)的地理異質(zhì)性。

參考文獻(xiàn)

Archibald J D, Fastovsky D E. Dinosaur Extinction [M]．University of California Press, 2004．

Alvarez L W, Alvarez W, Asaro F, et al. Extraterrestrial cause for the Cretaceous Tertiary extinction [J]. Science, 1980, 208:1095–1108.

Bottke W, Vokrouhlicky D, Nesvorny D. An Asteroid Breakup 160 My Ago as the Probable Source of the K-T Impactor [J]. Nature, 2008,449(6):48-53.

Collins G S. A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact [J]. Nature Communication 2020, 11: 1480.

Duncan R, A, et al. Rapid eruption of the Deccan flood basalts at the Cretaceous/Tertiary boundary [J]. Nature, 1988, 333 (6176):841 - 843.

Li S, Grasby S E, Xing Y, et al. Mercury contents and isotope ratios in marine and terrestrial archives across the Cretaceous/Paleocene boundary[J]. Earth-Science Reviews, 2023: 104635.

MacLeod N, Rawson P F, Forey P L, et al. The Cretaceous–Tertiary biotic transition[J]. Journal of the Geological Society, 1997, 154 (2):265-292.

Senel C B, Kaskes P, Temel O. Chicxulub impact winter sustained by fine silicate dust [J]. Nature Geoscience, 2023, 16, 1033-1040.

作者|殷一曼 陳宏毅